Электропривод переменного тока Советский патент 1992 года по МПК H02K29/14 

Ј

Использование: в станках, промышленных роботах Сущность: в электроприводе датчик 8 частоты вращения выполнен на формирователе 9 импульсов, интеграторах 10 и 13, детерминаторе 11 длительности импульсов и пороговом элементе 12. Обратная связь по частоте вращения формируется в замкнутом контуре слежения за величиной периода входного сигнала, поступающего на датчик 8 частоты вращения 7 ил.

VI СЛ VI

g

фиг.1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам переменного тока, построенным на основе синхронных двигателей, и может быть использовано в электроприводах станков, промышленных роботов и т.п., где требуется надежность, точность и плавность регулирования.

Известен электропривод переменного тока, содержащий синхронный электродвигатель, на валу которого установлен синус- но-косинусныйвращающийся

трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якор- нойобмоткисинхронного

электродвигателя, одним управляющим входом - с выходом первого блока управления, вторым управляющим входом - с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика и датчика частоты вращения.

Генератор опорной частоты имеет второй выход, а синусно-косинусный вращающийся трансформатор - вторую входную обмотку, подключенную к второму выходу упомянутого генератора, выходная обмотка указанного вращающегося трансформатора соединена с входами первого блока управления и датчика частоты вращения.

В известном электроприводе да гчик частоты вращения снабжен двумя дополнительными выходами и выполнен в виде последовательно соединенных узла выделения модуля, компаратора, одновибратора и узла изменения знака, второй вход которого соединен через дифференцирующий узел с входом узла выделений модуля, а двухкэнальный регулятор частоты вращения выполнен в виде двух блоков умножения, к первым входам которых подключены компараторы.

Недостатками известного вентильного электропривода являются низкая стабильность и помехозащищенность вследствие наличия блоков дифференцирования и умножения.

Известен также вентильный электропривод, содержащий синхронный электродвигатель и усилитель мощности со схемой управления (преобразователь), а также датчик частоты вращения, состоящий из коммутатора, блока управления коммутатором, источника опорного напряжения блока масштабных коэффициентов и блока формирования сигнала частоты вращения. Три входа датчика частоты вращения связаны с двумя выходами фазочувствительных выпрямителей схемы управления и выходами предварительного усилителя.

Коммутатор воспроизводит значение угла поворота вала ротора от времени, сшитое из отдельных участков аппроксимированных кривых выходных напряжений фазочувуствительных выпрямителей. Блок формирования сигнала частоты вращения представляет собой модель вентильного

электродвигателя, подстраиваемую по разности текущего значения угла (получаемого с выхода коммутатора) и его оценки, получаемой в модели. Выходным сигналом датчика частоты вращения на базе синусно-косинусного и вращающегося трансформатора в известном электроприводе является оценка в указанной модели.

Недостатком известного устройства является его съемная сложность, сложность в

настройке и, как следствие этого, низкая надежность. Кроме того, поскольку в кривой выходного напряжения коммутатора (зависимости напряжения, пропорционального углу от времени) имеют место разрывы, для

исключения кратковременных провалов в кривой оценки частоты вращения, в качестве выходного сигнала датчика частоты вращения используется не непосредственно оценка, получаемая в модели вентильного

электродвигателя, а выходной сигнал блока выборки-хранения. При нахождении вала двигателя в зоне разрыва функции напряже- ия от угла во времени выходным сигналом датчика скорости является последнее значение оценки скорости (при вхождении в указанную зону). Таким образом, в указанном интервале не контролируется фактическая частота вращения вала двигателя. Этот недостаток ограничивает диапазон регулирования частоты вращения в известном электроприводе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электропривод переменного тока, содержащий

синхронный электродвигател ь, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, одним управляющим входом - с выходом первого блока управления, вторым управляющим входом с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика и датчика частоты вращения, последний из которых снабжен формирователем импульсов с одним входом

и двумя выходами, вход которого образует

вход датчика частоты вращения, и интегратором со сбросом, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя импульсов.

В известном электроприводе сигнал обратной связи по частоте вращения формируется электронной схемой датчика частоты вращения путем переработки информации с выхода датчика положения ротора. Схема содержит сумматор, два перемножителй; два фиксатора нулевого порядка и два интегратора со сбросом, управляемые формирователем импульсов, подключенным к генератору опорной частоты, входящему в состав преобразователя.

Многократность преобразования сигнала и сложность схемы, обусловленная наличием аналоговых перемножителей определяют низкую надежность, ограничивают диапазон регулирования частоты вращения и являются недостатком схемы.

Цель изобретения - повышение надежности и расширение диапазона регулирования частоты вращения, а также упрощение и повышение точностных показателей электропривода.

Электропривод переменного тока содержит синхронный электродвигатель, на валу которого установлен синусно-косинус- ный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, одним управляющим входом - с выходом первого блока управления, вторым управляющим входом - с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам за- датчика и датчика частоты вращения, последний из которых снабжен формирователем импульсов с одним входом и двумя выходами, вход которого образует вход датчика частоты вращения, и интегратором со сбросом, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя импульсов. Новым в предлагаемом электроприводе переменного тока является то, что генератор опорной частоты снабжен вторым выходом, а синус- но-косинусный вращающийся трансформатор - второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу упомянутого генератора, выходная обмотка указанного вращающегося трансформатора соединена с входами первого блока управления и датчика частоты вращения, который дополнительно снабжен тр хвходовым де- терминатором длительности импульсов, первым и вторым входами подключенный к

выходам формирователя импульсов, пороговым элементом и вторым интегратором, выход которого образует выход датчика частоты вращения и включенным между выходом упомянутого детерминатора и входом интегратора со сбросом, снабженного вторым входом для подачи напряжения смещения, выходом соединенного со входом порогового элемента, выход которого под0 ключей к третьему входу детерминатора длительности импульсов.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого электропривода переменного тока; на фиг. 2 - блок-схема формирова5 теля импульсов; на фиг. 3 - блок-схема детерминатора импульсов; на фиг. 4-6 - элементы привода; на фиг. 7 - осциллограммы сигналов напряжения в точках схемы привода.

0 Электропривод содержит синхронный электродвигатель 1, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2, входная обмотка которого подключена к выходу генератора 3 опор5 ной частоты, преобразователь 4 частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя 1, одним управляющим входом - с выходом первого блока 5 управления, вто0 рым управляющим входом - с выходом регулятора 6 частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчика 7 и датчика 8 частоты вращения, последний снабжен формирователем 9 импульсов с од5 ним входом и двумя выходами, вход которого образует вход датчика 8 частоты вращения, и интегратором со сбросом 10, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя 9 импульсов.

0 Генератор 3 опорной частоты снабжен вторым выходом, а синусно-косинусный вращающийся трансформатор 2 - второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу генератора 3 опорной частоты. Вы5 ходная обмотка синусно-косинусного вращающегося трансформатора 2 соединена с входами первого блока 5 управления и датчика 8 частоты вращения, который дополни- тельно снабжен трехвходовым

0 детерминатором 11 длительности импульсов, первым и вюрым входами подключенным к выходам формирователя 9 импульсов, пороговым элементом 12 и вторым интегратором 13, выход которого образует выход

5 датчика 8 частоты вращения и включенным между выходом трехвходоеого детерминатора 11 длительности импульсов и входом интегратора со сбросом 10, снабженного вторым входом для подачи напряжения смещения, выходом соединенного со входом

порогового элемента 12, выход которого подключен к третьему входу трехвходового детерминатора длительности импульсов 11,

На фиг. 2 представлена блок-схема формирователя 9 импульсов, состоящего из по- следоватеяьносоединенных

нуль-компаратора 14, одновибратора 15, инвертора 16, одновибрагора 17 и инвертора 18. Формирователь 9 содержит также элемент 19 задержки, вход которого подключен Y выходу одновибратора 15, а выход - к входу элемента 2И-НЕ 20, к второму входу которого подключен выход второго одновибратора 17. Выходы инвертора 18 и элемента 20 являются соответственно первым и вторым выходами формирователя 9.

На фиг. 3 представлена блок-схема детерминатора 11 импульсов, содержащего инверторы 21-23, элементы ЗИ 24 и 25, R-S- триггер 26 и операционный усилитель 27 с резисторами смещения 28 и входным 29. Первый вход детерминатора 11 подключен через инвертор 21 к первым входам элементов 24 и 25. Второй и третий входы детерминатора 11 связаны соответственно с входами инверторов 22 и 23 и с вторыми входами соответственно элементов 25 и 24. Выходы инверторов 22 и 23 связаны соответственно с третьими входами элементов 24 и 25, выходы которых подключены соответственно к R и S-входам триггера 26 Выход триггера 26 связан с входным резистором 29 усилителя 27.

На фиг, 4 приведен пример выполнения одновибратора 15 (17), на фиг. 5 - интегратора 18, на фиг, б - интегратора со сбросом 10.

Электропривод работает следующим образом.

При подаче на вход привода напряжения задания частоты вращения на выходе преобразователя появляется напряжение, синхронный электродвигатель 1 приходит во вращение и вращает датчик 2. Входные обмотки датчика 2 запитаны от двухфазного генератора 3 опорной частоты (О0. На выходной обмотке датчика 2 формируется синусоидальное напряжение

U2 А sin(wot (-y(t))(1)

где (f() - текущее значение угла поворота ротора датчика, знак которого зависит от направления вращения.

Выражение (1) можно представить в виде

U2 A sin ((Do г 2P(Wep )t(2)

где 2Р - число пар полюсов датчика 2;

(л) вр частота вращения вала двигателя 1

Напряжение U2 поступает на вход преобразователя, где используется для формирования напряжения питания синхронного электродвигателя 2, и на вход формирователя 9. Для иллюстрации работы ряда узлов электропривода на фиг. 7 приведены осциллограммы. Из синусоидального напряжения LJ2 (фиг. 7а) нуль-компаратор 14 формирует прямоугольные колебания (фиг. 75) с тем же

периодом. Задний фронт (переход с + на -) этих колебаний запускает одновибратор 15, на выходе которого формируется последовательность импульсов длительностью т 1 (фиг. 7в). Указанные импульсы после инвертирования инвертором 16 (фиг. 7г) запускают одновибратор 17, формирующий последовательность импульсов длительностью t 2 (фиг. 7д). Указанные импульсы после инвертирования инвертором 18

поступают на первый выход элемента 20 (фиг. 7е). На выходе элемента 20 формируется импульс длительностью т з п + га + Лт (фиг. 7ж), где А г- запаздывание одновибратора 17 при запуске. Элемент задержки

19 затягивает передний фронт импульса (фиг. 7в) на указанную величину Дг для исключения провалов в импульсе (фиг. 7ж) (показаны пунктиром).

На первый вход интегратора со сбросом 10 (фиг. 6) поступает выходное напряжение интегратора 13 11д4в, на второй вход напряжение смещения UCM, на управляющий вход поступают импульсы с первого выхода формирователя 9. На выходе интегратора 10 формируется пилообразное напряжение (фиг. 7з), наклон которого пропорционален алгебраической сумме напряжений UCM + Ufl4e, а длительность определяется периодом импульса е,

включающего ключ разряда конденсатора интегратора 10.

На выходе порогового элемента 12 появляется последовательность импульсов (фиг, 7и), длительность которых при заданном (фиксированном) значении напряжения порога элемента 12 Unop зависит от алгебраической суммы UCM + иД4в, а при постоянном значении UCM зависит только от иД4В. Детер- минатор 11,производит сравнение длительности импульсов Ж и И следующим образом:

Импульс е через инвертор 21 блокирует (обнуляет) элементы И 24 и 25, на входах триггера 26 О и триггер не меняет состояние на интервале существования импульса е. Этим обеспечивается синхронизация сравниваемых импульсов - начало отсчета Длительность паузы г4 импульса Ж равна

ТА Ti -тз где Ti - период выходного сигнала ДПР,

Так как Ti тз более чем в 100 раз, можно считать, что

Г 4 Tl ftfe+ftV

Длительность паузы ть импульса И обратно пропорциональна указанной алгебраической сумме

Г59Гисм ±иД4в

Детерминатор 11 производит сравнение интервалов г 4 и г s и выдает на выходе релейный сигнал, полярность которого зависит от того, какой из интервалов больше.

Сравнение длительностей периодов указанных последовательностей (И и Ж) производит детерминатор 11 следующим образом (фиг. 7).

Импульс е длительностью г2, сформированный одновибратором 17 в формирователе Q, обеспечивает сброс интегратора 10 и нулевые команды на R и S входах триггера 26 (начало отсчета - нулевые начальные условия). Триггер 21 находится в каком-то из состояний (0 или 1), определяемым результатом сравнения в предыдущем такте.

Допустим, на выходе 26 1 (фиг. 7к, начало диаграммы после импульса е), на выходе инвертора 27 - (минус U - отрицательное напряжение). Интегратор 13 начинает интегрировать положительное приращение выходного напряжения. Суммарное напряжение (1)д4в + Осм) на входе интегратора 10 увеличивается, что приведет к увеличению наклона пилы на выходе 10 (фиг. 7з). Это приведет к тому, что импульс (единичный уровень) в последовательности И появится раньше, чем в последовательности Ж. На входе элемента ЗИ 24 три единицы, на выходе 1, триггер 26 переключается в нулевое состояние. Появление 1 в последовательности Ж после последовательности И уже не изменит состояние триггера 26, т.е. логический О с выхода инвертора 23 блокирует элемент ЗИ 25 до появления импульса е. Появление импульса е обнуляет оба элемента ЗИ - 24 и 25 и начинается новый такт. Аналогична работа детерминатора 11 при появлении 1 в последовательности Ж раньше чем в последовательности И.

Таким образом, если раньше приходит импульс (высокий уровень) в последовательности Ж, то триггер 26 перекидывается (либо остается) в единичное состояние и на

выходе детерминатора 11 (выходе операционного усилителя 27) отрицательное напряжение. Если раньше приходит импульс в последовательности И, то на выходе детерминатора 11 положительное напряжение.

Изменение скорости вращения вала двигателя приведет к изменению периода Т1. Отслеживая длительность периода Т1. схема изменит напряжение Уд4в в соответствующую сторону на соответствующую величину, чтобы обеспечить равенство величин Т1 и Т5, чем обеспечивается пропорциональность величины частоте вращения вала двигателя, т.е.

о) о г ш Вр К(исм i иД4в)

где К - коэффициент пропорциональности. Амплитуда и частота пульсаций выходного напряжения зависит от частоты а) 0 и постоянной времени интегратора 13. В экспериметальном образце частота пульсаций выходного сигнала 1)д4в составляла (О о/4.

Устройство предлагаемого электропривода значительно проще известного, не содержит аналоговых перемножителей и

сумматора в тракте формирователя сигнала обратной связи по частоте вращения, как в прототипе. Температурная и временная погрешность указанныхузловснижаютточно- стные показатели прототипа и

ограничивают диапазон регулирования частоты вращения.

В предлагаемом устройстве сигнал обратной связи по частоте вращения формируется в замкнутом контуре слежения за

величиной периода входного сигнала. Сравнение указанной величины с формируемой в устройстве осуществляется средствами цифровой (дискретной) техники, что существенно уменьшает влияние, помех, температурной нестабильности элементов, расширяет диапазон измеряемых частот вращения и соответственно, диапазон регулирования частоты вращения электропривода. Упрощение устройства повышает

надежность.

Формула изобретения Электропривод переменного тока, содержащий синхронный электродвигатель, на валу которого установлен синусно-косинусный вращающийся трансформатор, входная обмотка которого подключена к выходу генератора опорной частоты, преобразователь частоты, выходами соединенный с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, одним управляющим входом - с выходом первого блока управления, другим управляющим входом - с выходом регулятора частоты вращения, входы которого подключены к выходам задатчикэ и датчика частоты вращения, последний из которых снабжен формирователем импульсов с одним входом и двумя выходами, вход которого образует вход датчика частоты вращения, и интегратором со сбросом, управляющий вход которого соединен с одним выходом формирователя импульсов, о т ли чающийся тем, что, с целью упрощения и расширения диапазона регулирования частоты вращения, генератор опорной частоты снабжен вторым выходом, а синусно-косинусный вращающийся трансформатор - второй входной обмоткой, подключенной к второму выходу упомянутого генератора, выходная обмотка указанного вращающегося трансфсрматора соединена

Фие. 2

0

с входами первого блока управления и датчика частоты вращения, который дополнительно снабжен трехвходовым детерминатором длительности импульсов, первым и вторым входами подключенным к выходам формирователя импульсов, пороговым элементом и вторым интегратором, выход которого образует выход датчика частоты вращения, включенным между выходом упомянутого детерминатора и входом интегратора со сбросом, снабженного вторым входом для подачи напряжения смещения, выходом соединенного с входом порогового элемента, выход которого подключен к третьему входу детерминатора длительности импульсов.

ФиеМ

г

Фие. 5

и чь-СЭ

UCH

J3

Фиг.в

jL

r